用氮气工作流体高效产生动力的系统和方法技术方案

本文提供了一种使用高压/低压比布雷顿动力循环产生动力的方法，其使用主要为N2混合CO2和H2O燃烧产物作为工作流体。高压可在80巴至500巴的范围内。压力比可在1.5至10的范围内。天然气燃料可在第一高压燃烧器中与接近化学计算量的加压预热空气一起燃烧，并且净燃烧气体可与经加热的高压再循环N2+CO2+H2O流混合，该N2+CO2+H2O流将混合气体温度调节至去往产生轴功率的第一功率涡轮机的最大入口温度所需的值。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容提供了使用N2工作流体通过在空气中燃烧燃料产生动力的高效方法。
技术介绍
随着全世界能源需求持续增长，对于额外的动力生产过程也存在日益增长的需求。当前使用天然气燃料或懼出烃类燃料(distillate hydrocarbon fuel)产生动力的高效方法是结合了天然气的循环(NGCC)的系统，其包括布雷顿循环燃汽轮机(Brayton Cyclegas turbine)和兰金循环蒸汽系统(Rankine cycle steam system)。商业可用的最大燃汽轮机在ISO (国际标准化组织)条件下能够从NGCC系统输出约450丽(兆瓦)至约550丽范围内的动力，且低热值效率在约56%至约60%范围内。当前利用燃煤锅炉加蒸汽发电机的单套单元是可用的，基于最高可达到的蒸汽条件以及当前最好的锅炉设计和材料，其可具有大于1，000MW的动力输出，并提供高达约45%的净电效率。利用单蒸汽涡轮机且动力输出大于1，000MW的核反应堆是可用的。除上述以外，第2011/0179799号美国专利公开公开了一种高压低压比动力循环，其使用在存在高浓度的氧气氛下燃烧的碳质或烃类燃料，并因此需要提供高纯度的氧源。燃烧产物通过在热交换器中已经被涡轮机排出流加热的高温、高压以及高度提纯的CO2流的再循环而被冷却。如上所见，本 领域现有的以及新兴的技术需要使用多个循环和/或提供高度提纯的材料用于燃烧。此外，仍需要使用在空气中燃烧天然气或馏出燃料的动力系统，其能从单套提供高达500MW或更高的动力输出。
技术实现思路
目前所描述的用于动力生产的系统和方法对于提供高效率的动力生产可以是非常有用的，并且可展示出一种或多种下述特征所公开的系统和方法在比常规NGCC系统低的最大涡轮机温度下可达到与常规NGCC系统相当的效率。所公开的系统和方法在与常规的NGCC系统相等的涡轮机温度下可达到比常规NGCC系统更高的效率。所公开的系统和方法可具有比常规NGCC系统显著更低的资本成本。所公开的系统和方法可利用单一工作流体。所公开的系统和方法可利用除蒸汽系统以外的装置来驱动涡轮机。所公开的系统和方法可比NGCC系统显著地更为紧凑。所公开的系统和方法在废气中可具有的CO2浓度显著高于NGCC废气中大致3%的浓度，使得可使用适当的去除系统更加容易地捕捉co2。所公开的系统和方法可利用空气作为低成本氧化剂源，而不需要高纯度氧气。所公开的系统和方法可提供接近化学计量的燃烧条件，其能够导致过量惰性气体的产生，该惰性气体可被排放到大气中。所公开的系统和方法可在动力生产中通过使流经过一个或多个涡轮机膨胀来利用包含惰性气体的高压流。所公开的系统和方法可提供一种操作动力生产过程的方法，其中化石燃料可在高压下在空气中以接近化学计量的条件在具有足够的高压低压比的封闭循环中燃烧，使得氧在燃烧器中燃烧之后留下的加压过量惰性气体可膨胀至大气压，产生额外动力的最大化生产。此外，在一个实施方式中，本公开内容提供了动力生产系统。该动力生产系统可包括:第一燃烧器，其被配置成在第一再循环流存在下燃烧第一燃料流和第一空气流，以产生第一燃烧流；第一涡轮机，其被配置成使第一燃烧流膨胀，以及，第一热交换器，其被配置成从第一涡轮机接收至少一部分第一排放流。该第一热交换器可被配置成利用该部分第一排放流，来加热第一空气流以及至少一部分由第一排放流产生的第一再循环流。动力生产系统还可包括第二燃烧器，其被配置成在由第一排放流产生的第二再循环流存在下燃烧第二燃烧流和第二空气流，以产生第二燃烧流；第二涡轮机，其被配置成使第二燃烧流膨胀；以及第二热交换器，其被配置成加热第二空气流和第二再循环流。在一些实施方式中，第二热交换器可被配置成利用来自第二涡轮机的第二排放流来加热第二空气流和第二再循环流。第二热交换器还可被配置成加热第一再循环流的第二部分。该动力生产系统还可包括第三燃烧器，其被配置成在从第二涡轮机接收的第二排放流存在下燃烧第三燃烧流和第三空气流，以产生第三燃烧流；以及，第三涡轮机，其被配置成使第三燃烧流膨胀。第二热交换器可被配置成利用来自第三涡轮机的第三排放流来加热第二空气流和第二再循环流。第二热交换器还可被配置成加热第三空气流。第二热交换器还可被配置成加热第一再循环流的第二部分。在一些实施方式中，再循环压缩机可被配置成压缩第一再循环流。第一排放流的第二部分可被引导至第二燃烧器。动力生产系统还可包括洗涤器，其被配置成从第二热交换器接收经冷却的排放流。该洗涤器可包括CO2吸附系统。在一些实施方式中，动力生产系统还可包括空气压缩机系统，其被配置成压缩进料空气流以产生第一空气流和第二空气流。该空气压缩机系统可包括第一空气压缩机，其被配置成压缩第一空气流；以及，第二空气压缩机，其被配置成压缩第二空气流。该第二空气压缩机还可被配置成在第一空气压缩机压缩第一空气流之前压缩该第一空气流。该空气压缩机系统可被配置成控制第一空气流的流速以及第二空气流的流速，以在第一燃烧器和第二燃烧器中产生基本化学计量的燃烧。例如，空气压缩机系统可被配置成控制第一空气流的流速和第二空气流的流速，以在第一燃烧器和第二燃烧器的燃烧中产生上至约5%的过量O2。在一些实施方式中，第一燃烧流和第二燃烧流可包括经压缩的烃气。经压缩的烃气可包括甲烷。第一空气流和第二空气流可包括经压缩的环境空气。第一再循环流和第二再循环流可以是摩尔计算大于50%N2。该动力生产系统还可包括分离器，其被配置成从被引导通过第一热交换器的该部分第一排放流中去除液流。此外，该动力生产系统可被配置成，当在约1，300°C至约1，500°C的涡轮机温度工作时，以低热值计至少约60%的净发电效率操作。在另一个实施方式中，提供了一种产生动力的方法。该方法可包括在第一燃烧器中在第一再循环流存在下燃烧第一燃料流和第一空气流，以产生第一燃烧流；使第一燃烧流在第一涡轮机中膨胀以使第一涡轮机转动并产生动力；将来自第一涡轮机的至少一部分第一排放流引导至第一热交换器；以及，利用该部分第一排放流通过第一热交换器来加热第一空气流和第一排放流产生的至少一部分第一再循环流。该方法还可包括在第二燃烧器中在由第一排放流产生的第二再循环流存在下燃烧第二燃料流和第二空气流，以产生第二燃烧流；使第二燃烧流在第二涡轮机中膨胀，以使第二涡轮机旋转以产生动力；将第二空气流和第二再循环流引导至第二热交换器；以及，通过第二热交换器加热第二空气流和第二再循环流。在一些实施方式中，通过第二加热交换器加热第二空气流和第二再循环流可包括利用来自第二涡轮机的第二排放流来加热第二空气流和第二再循环流。该方法还可包括通过第二热交换器加热第一再循环流的第二部分。该方法还可包括在第三燃烧器中在从第二涡轮机接收的第二排放流存在下燃烧第三燃料流和第三空气流，以产生第三燃烧流；以及，在第三涡轮机中使第三燃烧流膨胀而使第三涡轮机转动以产生动力。通过第二加热交换器加热第二空气流和第二再循环流可包括利用来自第三涡轮机的第三排放流来加热第二空气流和第二再循环流。该方法可额外地包括通过第二热交换器加热第三空气流。而且，该方法可包括通过第二加热交换器加热第一再循环流的第二部分。在一些实施方式中，该方法还可包括通过再循环压缩机压缩第一再循环流。该本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.21 US 61/385,0421.一种动力产生系统，包括: 第一燃烧器，其被配置成在第一再循环流存在下燃烧第一燃料流和第一空气流，以产生第一燃烧流； 第一涡轮机，其被配置成使所述第一燃烧流膨胀； 第一热交换器，其被配置成从所述第一涡轮机接收至少一部分第一排放流， 其中，所述第一热交换器被配置成利用所述第一排放流的一部分，来加热所述第一空气流和由所述第一排放流产生的所述第一再循环流的至少一部分； 第二燃烧器，其被配置成在由所述第一排放流产生的第二再循环流存在下燃烧第二燃料流和第二空气流，以产生第二燃烧流； 第二涡轮机，其被配置成使所述第二燃烧流膨胀；以及 第二热交换器，其被配置成加热所述第二空气流和所述第二再循环流。2.如权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第二热交换器被配置成利用来自所述第二涡轮机的第二排放流来加热所述第二空气流和所述第二再循环流。3.如权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第二热交换器还被配置成加热所述第一再循环流的第二部分。4.如权利要求1所述的动力产生系统，还包括第三燃烧器，其被配置成在从所述第二涡轮机接收的第二排放流存在下燃烧第三燃料流和第三空气流，以产生第三燃烧流；以及 第三涡轮机，其被配置成使所述第三燃烧流膨胀。5.如权利要求4所述的动力产生系统，其中，所述第二热交换器被配置成利用来自所述第三涡轮机的第三排放流，来加热所述第二空气流和所述第二再循环流。6.如权利要求5所述的动力产生系统，其中，所述第二热交换器还被配置成加热所述第三空气流。7.如权利要求5所述的动力产生系统，其中，所述第二热交换器还被配置成加热所述第一再循环流的第二部分。8.如权利要求1所述的动力产生系统，还包括再循环压缩机，其被配置成压缩所述第一再循环流。9.如权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一排放流的第二部分被引导至所述第二压缩机。10.如权利要求1所述的动力产生系统，还包括洗涤器，其被配置成从所述第二热交换器接收经冷却的排放流。11.如权利要求10所述的动力产生系统，其中，所述洗涤器包括CO2吸附系统。12.如权利要求1所述的动力产生系统，还包括空气压缩机系统，其被配置成压缩进料空气流以产生所述第一空气流和所述第二空气流。13.如权利要求12所述的动力产生系统，其中，所述空气压缩机系统包括配置成压缩所述第一空气流的第一空气压缩机和配置成压缩所述第二空气流的第二空气压缩机。14.如权利要求13所述的动力产生系统，其中，所述第二空气压缩机还被配置成，在所述第一空气压缩机压缩所述第一空气流之前，压缩所述第一空气流。15.如权利要求13所述的动力产生系统，其中，所述空气压缩机系统被配置成控制所述第一空气流的流速和所述第二空气流的流速，以导致在所述第一燃烧器和所述第二燃烧器中的基本化学计量燃烧。16.如权利要求15所述的动力产生系统，其中，所述空气压缩机系统被配置成控制所述第一空气流的流速和所述第二空气流的流速，以在所述第一燃烧器和所述第二燃烧器中的燃烧中产生上至约5%的过量O2。17.如权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一燃料流和所述第二燃料流包括经压缩的烃气。18.如权利要求17所述的动力产生系统，其中，所述经压缩的烃气包括甲烷。19.如权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一空气流和所述第二空气流包括经压缩的环境空气。20.如权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一再循环流和所述第二再循环流大于以摩尔计50%N2。21.如权利要求1所述的动力产生系统，还包括分离器，其被配置成从被引导经过所述第一热交换器的所述第一排放流的一部分中去除液流。22.如权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述动力产生系统被配置成，当在约1，300°C至约1，500°C的涡轮机温度工作时，以低热值计至少约60%的净发电效率操作。23.一种产生动力的方法,包括: 在第一燃烧器中在第一再循环流存在下燃烧第一燃料流和第二空气流以产生第一燃烧流；在第一涡轮机中使所述第一燃烧流膨胀以使所述第一涡轮机旋转并产生动力； 将至少一部分第一排放流从所述第一涡轮机引导至第一热交换器； 通过所述第一热交换器，利用所述第一排放流的一部分来加热所述第一空气流以及由所述第一排放流产生的至少一部分所述第一再循环流； 在第二燃烧器中在由所述第一排放流产生的第二再循环流存在下燃烧第二燃料流和第二空气流以产生第二燃烧流； 在第二涡轮机中使所述第二燃烧流膨胀以使所述第二涡轮机旋转以产生动力； 将所述第二空气流和所述第二再循环流弓I导至第二热交换器；以及 通过所述第二热交换器加热所述第二空气流和所述第二再循环流。24.如权利要求23所述的方法，其中，通过所述第二热交换器加热所述第二空气流...

【专利技术属性】
技术研发人员：MR帕尔默，RJ奥勒姆，JE费特维特，
申请(专利权)人：帕尔默实验室有限责任公司，八河流资产有限责任公司，
类型：
国别省市：